长寿500kV变电站_AIS_雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算

1、四川工业学院学报J ournal of Sic h uan University of Science an d Tec h nology文章编号:100025722(1999022* 收到日期:19982082203戴玉松,四川工业学院电子信息与电气工程系,成都,邮编:611744长寿500kV 变电站(AIS雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算戴玉松3电力学教研室摘要:使用较精确的多相线等值模型(可计算冲击电晕条件下的变电站暂态问题,对长寿500kV 变电站的雷电入侵波保护进行了较准确的计算。其结果已提供工程设计采用。关键词:变电站;冲击电晕;暂态计算;过电压中图分类号:T M866;T M6

2、32文献标识码:B超高压变电站在电力系统中地位重要,投资巨大,为保护其安全稳定运行,免受雷电危害,必须进行雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算。我们已推出了较精确的多相线等值电路模型1,对多个500kV 变电站,开关站进行了分析计算,现受四川省电力局委托,对长寿500kV 变电站进行了分析计算,其结果已为工程采用。1计算原理超高压系统在过电压波的作用下,电压达到电晕起始值时,导线表面气体游离放电,形成一个电晕套,相当于增大了导线半径,即改变了线路电容参数,但电晕套对轴向导电性能几无影响,电流基本上沿金属导体流动。电晕套的出现,并不改变线路电感参数,线路的电容参数是空间,时间和电压的函数,c =c

3、(x ,t ,u ,单相输电线微分方程成为25u 5x =L 5 i 5t+R i -5 i 5x =c (x ,t ,u 5u 5t +Gu (1多相输电线方程为25u 5x =L 5 i 5t+R i -5 i 5x =C (x ,t ,u 5u 5t+Gu (2式中u =u (x ,t , i = i (x ,t 分别是线路电压列矢量,电流列矢量。L 、C 、R 、G 分别是线路电感矩阵,电容系数矩阵,电阻矩阵,电导矩阵。其中电容系数矩阵C (x 、t 、u 是线路电位系数矩阵P (x 、t 、u 的逆阵,冲击电晕的存在只改变P 矩阵的对角线元素,而不改变其非对角线元素。方程(1、(2是

4、双曲型拟线性微分方程组,难于推出其解析式解答,只能用数值解,可把时间轴和空间轴离散成多个离散点,时间步长和空间步长分别是t 、x 。时间轴离散点为t 0,t 0+t 、t 0+2t ,。线路从首端到末端等分成n 段(图1,空间步长是x 。只要t 、x 、足够小,就可达到一定的计算精度。对于线路各空间分点,只要知道初始时刻t 0的值,就能计算t 0+t 时刻的值,类似地,又能计算t 0+2t 时刻的值,最后达到预定的计算步数。图1输电线上离散点的确定上述计算分两类问题,第一类问题是线路边界点的计算(即图1中的0点和n 点,我们推出了一个多相线等值电路,则可把分布参数电路变成等值集中参数电阻网络,

5、把微分方程问题变为代数方程问题,便于求解。等值电路可以和E MTP 程序接口,可求解任意复杂网络暂态问题,而可避免复杂的边界条件问题处理。第二类问题是线路除边界点外的其余各空间分点的电流、电压的计算(图1中的1至n 1点。对于这些点的电流,电压要使用差分法进行求解,把微分变成差分(dx 、dt 变成x 、t ,微分方程(1,(2变成差分方程,推出一定差分公式,递推求解。以三相输电线为例,对某一计算步,在线路末端有u =z (x ,t ,u i(3图2三相线终端等值电路u 、 i 分别是三相线电压、电流列矢量,z 为三相线波阻抗矩阵,其对角线元素是自波阻抗,冲击电晕要影响其变化,非对角线元素为互

6、波阻抗,其值基本上不受冲击电晕影响,Z 矩阵元素由线路几何尺寸决定,冲击电晕的电晕套半径可由线路伏库特性的经验公式求出,但电压值应是线路总电压,而不是单独为正向行波电压或反向行波电压确定。对于某一计算步,线末端Z 矩阵算出之后,则可计算Y =Z 21=y 11y 12y 13y 21y 22y 23y 31y 32y 33(4图3在X Ot 平面上的矩形网格则可以计算该时间步线路末端的等值电路如图2(详细推导见文献1。其中, i 1、 i 2、 i 3是该时刻流入线路终端的电流, i 61、 i 62、 i 63为终端该时刻三个入射电压波定义的一个电流。例如i 61=y 11u 1+y 12u

7、 2+y 13u 3(5由于三相线路终端电压在暂态过程中不断波动,每一计算步都要用数学选代法计算Z 参数矩阵。同理可以推导线路首端等值电路。这两个电路反映了线路边界点的电压、电流关系,则可与按贝杰龙法编成的E MTP 程序的各类元件等值电路接口,形成通用程序,这样既便于使用,又可避免复杂的边界条件处理。5第18卷第2期戴玉松:长寿500kV 变电站(AIS 雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算除开线路端点外的其它空间分点(图1,在暂态过程中的电压、电流在不断波动,当线路参数非线性时,方程(1、(2用差分法求解,在x ot 平面上,把时间轴,空间轴离散化,空间步长及时间步长分别是x ,t (图3,由

8、偏微分方程特征理论及计算方法,多相线拟线性方程组(2的对称差分格式公式如下24u n +1j =12u n j -1+u n j +1+t x P n+1j (1-t L -1R ( i n j -1- i nj +1 i n +1j =12(1-t L -1R ( i n j -1+ i n j +1+t x L -1(u n j -1-u nj +1 (6式中P =C 21,为线路电位系数矩阵,1为单位阵,当知道第n 步各空间分点电流电压时,就可计算第n +1步P 点的电流,电压值。但P 点电压、电流还未算出来,P n +1j 不能定,则可取P n +1jP n j ,计算出P 点的电流、

9、电压后又可计算P n +1j,经多次迭代可计算P 点电流、电压的较精确值,(6式是方程(2的解答,能计算冲击电晕时的多相线空间分点的电压、电流。上述计算方法的详细说明可参看文献1。2长寿500kV 变电站(AIS 的雷电入侵波计算长寿500kV 变电站联接重庆陈家桥变电站和万县变电站,一次接线图如图4所示,为112接线图4长寿500kV 变电站接线方式(500k 部分方式。变电站初期运行,投入设备,线路少,电容小,雷电流分流情况差,过电压高,这是较危险的运行方式。这些方式能承受雷电入侵波冲击,其它运行方式就没有问题。长寿500kV 变电站初期接线方式如图5所示。在图5的电路图中,两母线间只有一

10、串开关接通。旁边有一临时联接的跨接线,并带两个隔离开关,随着系统发展,逐步完成其余设备安装。按此初期接线图,我们计算了四种运行方式(图6下面以过渡接线(2运行方式为例,其等值电路图如图7所示。图中B 为避雷器,Y 为电压互感器,G 为隔离开关,CT 为电流互感器,S 为断路器,T 为变压器。因为雷电入侵波等值频率较高,维持时间很短,通常10s 左右则可算出过电压幅值。则变电站设备如变压器,隔离开关,断路器,互感器等,在雷电波作用下,均可等值成冲击入口电容,它们之间有分布参数线段相隔。计算时,考虑雷击#1塔项,当电压很高时,反击到边相导线,雷电波向站内设备传播。设备参数为:主变压器4919PF

11、,电压互感器5000PF ,隔离开关为300PF (断开时为150PF ,电流互感器为1000PF ,断路器为800PF 。设备雷电冲击绝缘水平(BI L :内绝缘是1550kV ,外绝缘是1675kV 。6四川工业学院学报1999年图5长寿变电站初期运行接线方式图避雷器是ZnO 型,应考虑为小电流情况,否则会增大计算误差,伏安特性如表1表1Z nO 避雷器的伏安特性11m A 2kA 5kA 10kA 20kA V 444型(kV 597875941159951075V 420型(kV 565826894159501026杆塔等值波阻抗是115,波速是210m/s 。架空地线平均高度是411

12、63m ,输电线(边相平均高度是25167m 。避雷线电压晕起始电压为310186kV ,输电线电晕起始电压是133417kV , 当线路各离散点电压超过上述值图6长寿度电站初期运行方式图7长寿变电站(TIS 过渡接线方式(2等值电路时,其伏库特性及波阻抗呈非线性,应按有关公式计算。雷电流波形为216/50s ,大气雷电通道波阻抗取300。图7的计算结果见表2。表2节点最大电压值(kV 图7的计算结果#1塔接地电阻Y7S 12CT 13T 18Y 20CT 22S 23Y 3136Y 3910114613631345942928134213671486177519566131142119811

13、8689388511741211146114371541表2计算雷电流是230kV ,当#0塔接地电阻是1,#1塔接地电阻为613时,变电站各设备均安全。同样,对变电站过渡接线方式(1,(3,(4计算,只要#1塔接地电阻是613时,变电站各设备均安全。3长寿500kV 变电站防雷安全估计由上述的计算,长寿500kV 变电站几种运行方式,只要#0塔接地电阻是1,#1塔的接地电阻是7第18卷第2期戴玉松:长寿500kV 变电站(AIS 雷电入侵波保护和绝缘配合分析计算8四川工业学院学报1999年613,则变电站可承受230kA雷电流。随着变电站其它线路的投运,电容增大,雷电流分流条件更好,则变电站

14、更安全。按照230kA危险电流计算,每年发生雷害的计算公式为:N=01015×T×h×n×(l/100×p×g式中,N为变电站每年平均雷害事故概率次数;T为年雷电日,42天;h为避雷线平均高度,41163m;n为出线回路数,n=1;g为击杆率,g=1/4;l为进线段长度,2km;p为超过危险雷电流概率。p有两个公式,p=10(-I/108,和p=10(0105-I/74,前一个是规程公式,后一个是220kV新杭线上实测公式,与国际大电网会议推荐的公式一致,雷击#1塔危险电流是230kV危险雷电流。按规程公式计算1/N是安全运行年数,当

15、雷电流I=230kA时,安全运行年数是1028年,而东北东丰500kV变电站是1010年。若按新杭线概率分布公式,安全年还要多。根据IEC有关资料,变电站安全年取400800年,因而按上述计算,可以认为长寿变电站是安全的。4结论(1本文使用了一种较精确的多相线值电路模型,与过去的线性线路模型比较,有较高的计算精度,从理论上讲,是目前较为精确的计算方法。(2使用较精确的多相线模型,对长寿500kV变电站工程进行了计算,得出的结论为工程采用。参考文献1戴玉松,颜怀梁1考虑冲击电晕时的一种多相线等值电路模型1中国电机工程学报,1997,17(52吴维韩,张芳榴等著1电力系统过电压数值计算1北京科学出

16、版社,19893陈恕行编1偏微分方程概论1北京高等教肓出版社,19814李荣华,冯果忱1偏微分方程的数值解1北京教育出版社,1980CHComputation of Lightning Impulse W aves and I nsulation Coordinate Analysis in the500kV Substation(AISChang2Shou.DAI Y u2s ongDepartment of E lectronic In formation and E lectrical EngineeringAbstract:This paper uses an equivalent circuit m odel of the multiphase transmission lines(this m odel can be used to com pute the transie